智能尘埃

智能尘埃又名智能微尘（Smart Dust）。是一个具有电脑功能的超微型传感器，它由微处理器、双向无线电接收装置和能够组成一个无线网络的软件共同组成。智能微尘的发明者是美国加州大学伯克利分校教授Kristofer Pister。将一些微尘散放在一个场地中，它们就能够相互定位，收集数据并向基站传递信息。如果一个微尘功能失常，其他微尘会对其进行修复。

原理

智能尘埃

由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进，集成有传感 器、计算电路、双向无线通信模块和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到了沙粒般大小，但它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理、发射信息，它能够仅依靠微型电池工作多年。智能微尘的远程传感器芯片能够跟踪敌人的军事行动，可以把大量智能微尘装在宣传品、子弹或炮弹中，在目标地点撒落下去，形成严密的监视网络，敌国的军事力量和人员、物资的流动自然一清二楚。

特点

智能尘埃在提供多种好处之时，也将产生一系列影响。在智能尘埃面前，个人隐私不复存在，一举一动都被监控着。无论是商业机密还是国家机密，想要避免对手的窃取都将越来越困难，使正常的商业秩序变得一团糟。这对于相互对峙的国家来说，又将是一场恶梦。

智能尘埃还没有真正应用以前，仍无法确认它将会带来什么，对此能做的只能是期待事实的验证。不管是否接受，智能尘埃已经不再遥远。也许这样的新技术就像是那个捞到装了魔鬼的瓶子的渔夫——也许得到魔鬼的感激，也许收到它的愤怒。不同的是，人类一旦开启了这个瓶子将不会有机会再把它盖上。而英特尔正是那个一心想要打开瓶盖的渔夫，且正在一点点开启。

应用

据英特尔介绍，智能尘埃是一种能够以无线传输方式传递信息的微型电子机械传感器(MEMS)。它虽然成本小却用途广，可以探测周围诸多环境参数，从光线强度变化到振动能量大小，几乎无所不能；能够收集到大量数据进行计算处理，然后利用双向无线通信装置将这些综合信息在微尘器件间往来传送。数以百计的微型传感器还能组成智能尘埃系统，可以自我组织、自我维持，协同工作，用以监测四周环境的温度和湿度等环境参数变量。智能尘埃系统在拥挤的闹市区可用作交通流量监测器；在家庭则可监测各种家电的用电情况以避开高峰期；也可以部署在战场上，跟踪敌人的军事行动。此外，从监控医院病房内病人的身体状况与活动，到感应工业设备的非正常振动来确定制造工艺缺陷，智能尘埃技术潜在的商业应用价值非常之大。

1、军事应用:

智能尘埃系统也可以部署在战场上，远程传感器芯片能够跟踪敌人的军事行动。智能尘埃可以被大量地装在宣传品，子弹或炮弹壳中，在目标地点撒落下去，形成严密的监视网络，敌国的军事力量和人员、物资的运动自然一清二楚。美国五角大楼希望在战场上放置这种微小的无线传感器，以秘密监视敌军的行踪。美国国防部在多年前就已经把它列为一个重点研发项目。如果像美国预想的那样，智能尘埃用在战场上，美国的军事实力又将与其他国家再度拉开距离。智能尘埃还可以用于防止生化攻击——智能尘埃可以通过分析空气中的化学成分来预告生化攻击。此外，智能尘埃还有许多具体的军事应用。

2、医疗健康应用:

英特尔正在研究通过检测压力来预测初期溃疡的“Smart Socks”，以及通过检测伤口化脓情况来确定有效抗生物质的“智能绷带”。如果一个胃不好的病人吞下一颗米粒大小的小金属块就可以在电脑中看到自己胃肠中病情发展的状况，对任何一个胃不好的人来说无疑都是一个福音。智能尘埃将来可以植入人体内，通过这种无线装置，可以定期检测人体内的葡萄糖水平、脉搏或含氧饱和度，将信息反馈给本人或医生，用它来监控病人或老年人的生活。为糖尿病患者监控血糖含量的变化。糖尿病人可能需要看着电脑屏幕上显示的血糖指数才能决定合适自己的食物。

将来老年人或病人生活的屋里将会布满各种智能尘埃监控器，如嵌在手镯内的传感器会实时发送老人或病人的血压情况，地毯下的压力传感器将显示老人的行动及体重变化，门框上的传感器了解老人在各房间之间走动的情况，衣服里的传感器送出体温的变化，甚至于抽水马桶里的传感器可以及时分析排泄物并显示出问题……这样，老人或病人即使单独一个人在家也是安全的。

3、防灾领域的应用:

智能尘埃可能会用于发生森林火灾时通过从直升机飞播温度传感器来了解火灾情况。作为进一步的应用，将用于通过传感器网络调查北太平洋海洋板块的美国华盛顿大学“海洋项目”及美国正在推进的行星网络项目中。

4、大面积，长距离无人监控:

以中国西气东输及输油管道的建设为例，由于这些管道在很多地方都要穿越大片荒无人烟的无人区。这些地方的管道监控一直都是道难题，传统的人力巡查几乎是不可能的事，而现有的监控产品，往往复杂且昂贵。智能微尘的成熟产品布置在管道上将可以实时地监控管道的情况，一旦有破损或恶意破坏都能在控制中心实时了解到。如果智能微尘的技术成熟了，仅西气东输这样的一个工程就可能带来上亿元的智能微尘资金节省。电力监控方面同样如此，据了解，由于电能一旦送出就无法保存，因此，电力管理部门一般都会层层要求下级部门每月上报地区用电要求，但地区用电量的随时波动使这一数据根本无法准确，国内有些地方供电局就常常因数据误差太大而遭上级部门的罚款。但一旦用智能微尘来监控每个用电点的用电情况，这种问题就将迎刃而解。总之，从在拥挤的闹市区可用作交通流量监测器，在家庭则可监测各种家电的用电情况以避开高峰期到感应工业设备的非正常振动来确定制造工艺缺陷，智能微尘技术潜在的应用价值非常之大。而且，微尘器件的价格将大幅下降，已在50到100美元之间，预计5年之内将降到1美元左右，这预示着智能微尘具有广阔的市场前景。

研发背景

1992年前后掀起了一阵智能热：智能居室、智能建筑、智能炸弹等等，于是美国加州大学伯克利分校的Kristofer Pister想起了“智能尘埃”这个词。而Pister有关智能尘埃的实质性研究则始于1994年，与此同时还开展了相关硬件平台的研发。

这项得到美国国防部先进研究计划局(DARPA)微系统技术办公室MEMS计划资助的研究，目的是通过演示来证明一个完整的传感器和通信系统可以被集成到立方毫米量级的空间中。由于DARPA的资助范围并不包括传感器，Pister与其同事从一开始就没有把目标放在特殊的传感器上，而是将研究的重点放在了系统的微型化、集成技术和能源管理等方面。

事实上“智能尘埃”的发展并不是一个单独的研究项目，与其他技术的发展有着非常密切的关系。在制造工艺上，英特尔的90纳米技术将为智能尘埃尺寸的进一步缩小和功能的提升提供了可能性；在功能模块上，另一个热门的研究MEMS(微型机电系统)也已经被应用于智能尘埃；此外，像UWB(超宽带)技术标准的开发也会影响智能尘埃的发展，因为，UWB可以使用更低的功耗实现更高的无线传输带宽。根据英特尔专家的介绍，目前智能尘埃面临最具挑战性的技术难题之一是如何在低功耗下实现远距离传输。

相关应用

网络传感器

英特尔每年的研发费用高达几十个亿，许多财力都应用在实际产品的开发上。但这一次打上鸟儿的主意，跟他的研究重点――芯片技术似乎是“风马牛不相及”。^[1]

从海燕到“智能尘埃”

英特尔会“牵涉”到大鸭岛监控项目的研究。主要是因为在缅因州海岸的一个叫大鸭岛的小岛上，有一种极小的白腰叉尾海燕生活在洞穴中，以躲避外蜀极其恶劣的环境。由于环境极其恶劣，加上这些海燕十分机警，研究人员无法采用通常的定鸟跟踪观察方法，在不打扰它们和避免这种多风暴又极冷的恶劣环境的情况下，大西洋大学的研究人员不知道怎样才能获得这些海燕的数据。这些巴掌大的食虫海鸟及其研究正是英特尔苦心钻研的一种新式武器的现身说法。^[1]

正当他们在四处寻找另外一种研究海燕的办法时，大西洋大学的校友、现任英特尔研究员Alan Mainwaring得知此事后，想到了解决办法，那就是被称为《商业周刊》称为未来四大技术之一的网络传感器。网络传感器的研发，使得这些大鸭岛上的海燕能像拥有电脑人们一样，可以自夸地说自己也有“Intel inside”。^[1]

网络传感器是技术小型化的必然结果，英特尔的网络传感器原型产品是基于大量使用的PXA255集成处理器模块，使用802.11或以太网技术把传感器和IP网络连接在一起，外形也很小。而用来感知真实物理世界的则是只有几十克重的个人传感器节点(individual sensor node)，包括StrongARM处理器和蓝牙技术，被称为iMote(智能尘埃)的无线网络调查平台。尽管从肉眼看来，一个一立方毫米甚至更小的智能沙粒与沙子没多少区别，但它却有传感器、处理器、电池、网络连接装置、存储单元等一系列在电脑里才会看到的功能模块。而微型CPU只能实现部分功能。个人iMote能方便拿在手上，有一层白色的塑料保护膜，像管子附件，使用时拧开塑料帽即可。2002年夏，研究人员把许多被称为“尘埃”的很小的监控装置装到了有海燕巢的洞穴中，通过网络传感器监测气温、风力、鸟儿的活动来进行生物学研究。仅仅三个月，人员就收到300万条信息。公司表示，一旦这些数据核对完，就会将它转移到惟一的iMote系统中^[1]。

个人服务器

网络传感器能够让现实世界以数字化的视角，它允许精确的追踪库存并最终制造出更加多功能的数码产品。与iMote类似，英特尔开发的个人服务器包含有蓝牙和无线网络连接。与iMote不同的是，个人服务器有1GB的CompactFlash内存^[1]。

和印象中的那些又黑又大的笨重家伙不同，个人服务器只有烟盒大小，能很方便地放进口袋或皮包中。每个人的个人服务器能够实时收集所有参与中心服务器事件以及与之进行通信的相关信息。可以访问信息站对所有相关信息进行过滤，以便快速给人们提供所需要的信息。个人服务器要收集信息，或者把信息传到显示器上显示，首先要检查是否有相应的网络和设备配合，才能使用SensorNetworks(网络传感器)。英特尔表示，这是将个人计算推向极致的产品，可以满足无所不在的计算应用：如果带着个人服务器，身边的任何电脑都可以变成自己的电脑，甚至连桌面设置都和自己的完全一样；可以在任何一台ATM机上查询自己的消费清单；在机场的显示器上核对自己的日程表；把任何一部电话的快拨键变成电话号码，甚至可以在平时路过一家商场时得到它的打折信息……^[1]

业界认为，如果英特尔能明显提升其安全性能，这个极小的服务器将是最好的个人数码产品。英特尔表示还将把这样的“智能尘埃”整合到手机中去，到时候，人们出门可以连笔记本电脑都不带，而计算已无所不在^[1]。

发展前景

在20世纪最初的几年中，智能尘埃曾经是科技界时髦的话题，然而到了近几年，智能尘埃变得销声匿迹。究其原因，倒不是因为研究方向出现问题，而是即便以今天的技术工艺水平而论，要将传感器、模拟/数字电路、通信乃至电源全部封装在1mm3的空间中，仍然是个艰巨的挑战。

虽然智能尘埃具有极广泛的应用前景，而且研究人员和商业开发者们都渴望智能尘埃技术能积极推广应用，但当前仍存在着若干技术难题，如尺寸问题和 供电问题需要尽快解决。技术还没有成熟，广泛应用估计还需要几年时间还不能走向广泛应用^[1]。

研究者们在将MEMS与其他电子器件集成到单一芯片的过程中遇到了严峻的挑战。研究者们的目标是如何将5mm级的微尘芯片缩小到1mm。卡内基梅隆大学MEMS实验室的联合创始人之一Fedder试图利用最新的制造工艺与最先进的设计技术解决这些难题，但要取得突破还有大量的工作要做。而且这需要杰出的、具有超凡的攻关能力的设计工程师来把所有功能集成到单一芯片内。研究者们一直在努力开发先进的设计工具以帮助工程师们最终完成这项艰巨的研究任务。由于研究者们认识到智能尘埃技术必将获得广泛应用，并对人类社会产生重大影响，辛勤工作的价值即在于此。这也是美国国防高级研究计划局于1998年便对加州大学伯克利分校该项技术的研究进行资助的原因。

如何对这些极小的微型机械进行供电是当前设计者们所面临的另一个棘手难题。当前这些系统的测试或应用都要靠微型电池供电。比较理想的情况是，未来能随意部署这些无线微尘器件，而无电能之忧。部分研究者们致力于开发所谓的低功耗专用布线协议，以便能用最少的能量实现微尘之间的信息传输。过去两年里，加州大学伯克利分校、麻省理工学院和加州大学已经开始对这样的能源供给问题展开了研究。还没有找到一个一揽子解决方案，但无线智能尘埃的供电和尺寸两个问题都可望有所突破。在尺寸方面，两年内有可能把几个功能半导体集成到一个半导体上。至于供电问题，加州大学伯克利分校Shad Roundy研究的燃料电池可延长智能尘埃器件的工作时间。该燃料电池可以吸收周围工业机械设备振动时所产生的能量，或者从低度光源收集能量，这种技术有望在几年内有所突破。

参考资料

[1] 英特尔造另类Inside:“尘埃”型网络传感器 · pc6资讯网[引用日期2014-01-29]